JP2862455B2 - Organic nonlinear optical material - Google Patents

Organic nonlinear optical material

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JP2862455B2
JP2862455B2 JP8303693A JP8303693A JP2862455B2 JP 2862455 B2 JP2862455 B2 JP 2862455B2 JP 8303693 A JP8303693 A JP 8303693A JP 8303693 A JP8303693 A JP 8303693A JP 2862455 B2 JP2862455 B2 JP 2862455B2
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尚子 荒井
良之 東垣
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光コンピュータや光通
信などの広範な分野で光制御素子等として用いられる非
線形光学材料に関し、更に詳しくは室温で安定で、光損
傷強度に優れ、かつSHG活性が大きく、結晶性の良好
な有機非線形光学材料に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-linear optical material used as a light control element in a wide range of fields such as an optical computer and an optical communication. The present invention relates to an organic nonlinear optical material having high activity and good crystallinity.

【0002】[0002]

【従来の技術】非線形光学材料は、光周波数変換素子、
光シャッター、またEO変換器等として従来より実用化
されている。現在、非線形光学材料としてはリン酸二水
素カリウム(KDP)、ニオブ酸リチウム等の無機の強
誘電性結晶が用いられている。しかしながら、最近では
有機結晶の持つ非線形光学定数の大きさ、及び非線形光
学応答の速さ等が注目され、有機二次非線形光学材料を
中心に精力的に開発が進められている。
2. Description of the Related Art Nonlinear optical materials include optical frequency conversion elements,
It has been practically used as an optical shutter, an EO converter, and the like. At present, inorganic ferroelectric crystals such as potassium dihydrogen phosphate (KDP) and lithium niobate are used as nonlinear optical materials. However, recently, attention has been paid to the magnitude of the nonlinear optical constant of the organic crystal, the speed of the nonlinear optical response, and the like, and the development of organic second-order nonlinear optical materials has been actively pursued.

【0003】二次効果用の有機非線形光学材料としては
2−メチル−4−ニトロアニリン(MNA)、3−メチ
ル−4−ニトロピリジン−オキサイド(POM)等が開
発されており、MNAの二次非線形定数はKDPの50
倍にも達する。
As organic nonlinear optical materials for secondary effects, 2-methyl-4-nitroaniline (MNA), 3-methyl-4-nitropyridine-oxide (POM) and the like have been developed. The nonlinear constant is 50 of KDP
Double times.

【0004】このように強い非線形効果を示す有機化合
物は、一般にπ電子共役鎖を挟んで電子受容基及び電子
供与基を有していることは広く知られている。また二次
の非線形光学材料は反転対称心のない結晶を構成しなけ
ればならないことも知られている。
It is widely known that an organic compound exhibiting such a strong nonlinear effect generally has an electron accepting group and an electron donating group with a π electron conjugated chain interposed therebetween. It is also known that second-order nonlinear optical materials must form crystals without inversion symmetry.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】有機非線形光学材料は
分子一個が光非線形性の起源を担っているので、非対称
中心の分子はSHG(第2次高調波発生)活性を原理的
には有する。SHG活性分子を結晶化して光学素子とし
て利用する場合、結晶全体としてSHG活性を失うこと
にしばしば遭遇する。従って、有機材料が非線形光学素
子として利用できるかどうかは、実際に分子素材を合成
し、結晶化し、光非線形性を評価しなければならない。
Since one molecule of an organic nonlinear optical material is responsible for the optical nonlinearity, a molecule having an asymmetric center has SHG (second harmonic generation) activity in principle. When an SHG active molecule is crystallized and used as an optical element, the crystal often loses SHG activity as a whole. Therefore, to determine whether an organic material can be used as a nonlinear optical element, a molecular material must be actually synthesized, crystallized, and the optical nonlinearity must be evaluated.

【0006】有機化合物の分子レベルでの光非線形性
(超分子分極率β)は、分子軌道計算から推定すること
ができるが、分子一個の光非線形性を高めるには、長い
共役系に電子供与性と受容性の置換基を導入すればよ
い。例えば、分子レベルで大きな超分子分極率βの値を
持つスチルベン系分子は、代表的な有機非線形光学材料
のひとつであった。しかし、ACSシリーズの文献によ
ると、この種の素材は結晶状態で対称中心を持ち、結晶
としてSHG不活性になる場合が多かった。
The optical nonlinearity (supramolecular polarizability β) at the molecular level of an organic compound can be estimated from molecular orbital calculations. However, in order to enhance the optical nonlinearity of a single molecule, electron donation to a long conjugated system is required. What is necessary is just to introduce | transduce the substituent of the property and acceptability. For example, a stilbene-based molecule having a large supramolecular polarizability β at a molecular level was one of the typical organic nonlinear optical materials. However, according to the literature of the ACS series, this type of material has a center of symmetry in a crystalline state, and often becomes SHG inactive as a crystal.

【0007】波長変換素子としての利用を考えると、分
子状態又は結晶状態での透光性が重要な因子となる。例
えば、スチルベン系材料は可視光領域で光吸収スペクト
ルのピークを示す例が多い。スチルベン骨格は共役系が
長いので、強い電子受容性置換基(ニトロ基等)及び供
与性置換基(ジメチルアミノ基、アミノ基等)を共役系
分子の端に導入すると可視光領域に光吸収を示すと予測
される。従って、電子受容性または供与性の置換基の強
さを弱め、スチルベン骨格における置換基の導入位置を
選び、結晶として中心対称性を持たない分子素材を見い
だすことが課題である。このことは、今回検討したスチ
レン系材料においても同様にいえる。
[0007] Considering use as a wavelength conversion element, translucency in a molecular state or a crystalline state is an important factor. For example, stilbene-based materials often show a light absorption spectrum peak in the visible light region. Since the stilbene skeleton has a long conjugated system, introducing a strong electron-accepting substituent (nitro group, etc.) and a donating substituent (dimethylamino group, amino group, etc.) at the end of the conjugated molecule will absorb light in the visible light region. Expected to show. Therefore, it is a problem to weaken the strength of the electron-accepting or donating substituent, select the position of introduction of the substituent in the stilbene skeleton, and find a molecular material having no central symmetry as a crystal. The same can be said for the styrenic materials studied this time.

【0008】また、従来の無機非線形光学材料の融点
は、1000℃程度で素子としても熱的に安定である。
しかし、高温成長のため不純物拡散が生じ、光損傷強度
が低い状況がある。他方、有機材料の融点は、一般的に
100℃程度であり、位相整合条件をきめる屈折率の温
度係数が大きく、波長変換素子としての使用温度許容性
が低い傾向がある。
Further, the melting point of the conventional inorganic nonlinear optical material is about 1000 ° C., and it is thermally stable as an element.
However, there is a situation in which impurity diffusion occurs due to high-temperature growth and the optical damage strength is low. On the other hand, the melting point of an organic material is generally about 100 ° C., the temperature coefficient of the refractive index that determines the phase matching condition is large, and the use temperature tolerance as a wavelength conversion element tends to be low.

【0009】そこで、本発明では、高いSHG活性を持
ち、熱安定性の優れた有機非線形光学材料を提供するこ
とを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide an organic nonlinear optical material having high SHG activity and excellent thermal stability.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的は、2,5位に
メトキシ基、及びβ位にシアノ基及びチエニル基を導入
したスチレン誘導体からなることを特徴とする有機非線
形光学材料により達成することができる。
The above object is achieved by an organic nonlinear optical material comprising a styrene derivative having a methoxy group at the 2,5-position and a cyano group and a thienyl group at the β-position. Can be.

【0011】スチレン系化合物は、ベンゼン系、ピリジ
ン系非線形光学材料より長いπ電子共役系を特徴として
有している。従って、公知である非線形定数と透光性の
トレードオフの関係を考慮すると、非常に大きな電子受
容性(ニトロ基)及び電子供与性(ジメチルアミノ基、
アミノ基)の置換基を共役系の端に同時に導入すること
を避けることが重要である。電子受容性の置換基として
ニトロ基又はチエニル基をスチレン共役系の中央部付近
に導入した下記構造式(II)で表される(β−シア
ノ)(β′−ニトロ)スチレン、及び(III)で表わ
される(β−シアノ)(β′−2−チエニル)スチレン
の各分子種について、分子軌道計算(PPP法)により
分子一個の光非線形性と極大吸収波長を見積ったとこ
ろ、チエニル基を導入した分子種(III)の方が超分
子分極率βが3倍と大きいため、電子受容性置換基とし
てチエニル基で検討した。電子供与性置換基としては、
メトキシ基を選び、導入する置換基の位置を検討した。
なお、置換基のサイズ、回転的自由度、剛性を考慮し、
置換基の選定理由とした。
Styrene compounds are characterized by a π-electron conjugate system longer than benzene and pyridine nonlinear optical materials. Therefore, in consideration of the trade-off relationship between the known nonlinear constant and the translucency, a very large electron accepting property (nitro group) and an electron donating property (dimethylamino group,
It is important to avoid the simultaneous introduction of a substituent of the amino group) at the end of the conjugated system. (Β-cyano) (β′-nitro) styrene represented by the following structural formula (II) in which a nitro or thienyl group is introduced as a substituent of electron accepting property near the center of the styrene conjugated system, and (III) For each molecular species of (β-cyano) (β′-2-thienyl) styrene represented by the following formula, the optical nonlinearity and the maximum absorption wavelength of one molecule were estimated by molecular orbital calculation (PPP method), and a thienyl group was introduced. Since the supramolecular polarizability β of the molecular species (III) thus obtained is three times as large, the thienyl group was examined as an electron accepting substituent. As the electron donating substituent,
A methoxy group was selected, and the position of the substituent to be introduced was examined.
In addition, in consideration of the size, rotational freedom, and rigidity of the substituent,
This is the reason for selecting the substituent.

【0012】これによって、結晶状態で光学的非線形を
示す上記素材を見いだすに至った。また、上記スチレン
誘導体は、高いSHG活性を持つことから、第2次高調
波発生用材料としても有用である。
As a result, the above-mentioned material exhibiting optical nonlinearity in a crystalline state has been found. In addition, the styrene derivative has high SHG activity and is therefore useful as a material for generating second harmonics.

【0013】[0013]

【化1】 Embedded image

【0014】[0014]

【化2】 Embedded image

【0015】[0015]

【作用】 下記構造式(I)で表わされる2,5−ジメ
トキシ−(β−シアノ)(β′−2−チエニル)スチレ
ンは、極大吸収波長λmax が382nm(1,4−ジオ
キサン中)である。これは、青色光の波長領域に大きな
吸収を持たず、また、粉末法によるSHG強度は尿素比
で2倍であり、課題解決のための充分な非線形光学特性
を有している。
[Action] following structural formula (I) represented by 2,5-dimethoxy - (beta-cyano) (.beta. '-2-thienyl) styrene, maximum absorption wavelength lambda max is at 382 nm (1,4-dioxane) is there. This has no large absorption in the wavelength region of blue light, and the SHG intensity by the powder method is twice as high as the urea ratio, and has sufficient nonlinear optical characteristics to solve the problem.

【0016】[0016]

【化3】 Embedded image

【0017】[0017]

【実施例】本発明を実施例により更に詳細に説明する。The present invention will be described in more detail with reference to examples.

【0018】本発明に係る、2,5−ジメトキシ−(β
−シアノ)(β′−2−チエニル)スチレンを次のよう
に合成した。
According to the present invention, 2,5-dimethoxy- (β
-Cyano) (β'-2-thienyl) styrene was synthesized as follows.

【0019】2,5−ジメトキシベンズアルデヒド2.
7g(0.016mol)をエタノール150mlに溶
解した後、チオフェン−2−アセトニトリル2.0g
(0.016mol)を加えた。その中に、ナトリウム
エチラート0.7gを溶かしたエタノール溶液10ml
を滴下した。
2,5-dimethoxybenzaldehyde
After dissolving 7 g (0.016 mol) in 150 ml of ethanol, thiophen-2-acetonitrile 2.0 g
(0.016 mol) was added. In it, 10 ml of ethanol solution in which 0.7 g of sodium ethylate was dissolved
Was added dropwise.

【0020】この溶液を室温で6時間撹拌した後、生成
した沈澱物をろ過し、メタノール洗浄して、目的とする
前記構造式(I)で表わされる化合物、2,5−ジメト
キシ(β−シアノ)(β′−2−チエニル)スチレンを
得た。
After stirring the solution at room temperature for 6 hours, the resulting precipitate is filtered and washed with methanol to give the desired compound represented by the above structural formula (I), 2,5-dimethoxy (β-cyano). ) (Β'-2-thienyl) styrene.

【0021】収率は、68%であった。また、極大吸収
波長は、382nm(1,4−ジオキサン中)であり、
融点は、DSCの測定より88℃であった。
The yield was 68%. The maximum absorption wavelength is 382 nm (in 1,4-dioxane),
Melting point was 88 ° C. based on DSC measurement.

【0022】これは、MAP(文献;J.L.Ouda
r and R.Hierle,J.Appl.Phy
s.,48(1977)2699)の融点69℃よりも
高い。 次に、得られた微粉末結晶にNd:YAGレー
ザ(波長=1.064μm)を照射すると第2高調波
(SHG)が発生し、入射光の1/2の波長(532n
m)の緑色光が観測された。このSHG強度は尿素比で
2倍と、SHG効率は尿素よりも強いことが確認でき
た。
This is described in MAP (literature; JL Ouda).
r and R.R. Hierle, J .; Appl. Phys
s. , 48 (1977) 2699). Next, when the obtained fine powder crystal is irradiated with a Nd: YAG laser (wavelength = 1.64 μm), a second harmonic (SHG) is generated, and a wavelength (532 n
m) green light was observed. This SHG intensity was twice the urea ratio, and it was confirmed that the SHG efficiency was stronger than that of urea.

【0023】また、ノーマルヘキサンからの再結晶操作
により容易に板状の結晶が得られ、これを種結晶として
単結晶もつくることができた。
Further, a plate-like crystal was easily obtained by a recrystallization operation from normal hexane, and a single crystal could be formed as a seed crystal.

【0024】[0024]

【比較例】本発明者らは、チエニル基を持ち、α位のフ
ェニル基の2位又は4位にメトキシ基を導入した下記構
造式(IV)で表わされる2−メトキシ−(β−シア
ノ)(β′−2−チエニル)スチレン、又は下記構造式
(V)で表わされる4−メトキシ−(β−シアノ)
(β′−2−チエニル)スチレン及びなにも導入しない
下記構造式(III)で表わされる(β−シアノ)
(β′−2−チエニル)スチレンを持つ各分子種を合成
し結晶を得た。
COMPARATIVE EXAMPLE The present inventors have 2-methoxy- (β-cyano) having a thienyl group and having a methoxy group introduced at the 2- or 4-position of the α-phenyl group and represented by the following structural formula (IV). (Β′-2-thienyl) styrene or 4-methoxy- (β-cyano) represented by the following structural formula (V)
(Β'-2-thienyl) styrene and (β-cyano) represented by the following structural formula (III) in which nothing is introduced.
Each molecular species having (β'-2-thienyl) styrene was synthesized to obtain a crystal.

【0025】[0025]

【化4】 Embedded image

【0026】[0026]

【化5】 Embedded image

【0027】[0027]

【化6】 Embedded image

【0028】しかしながら、これらの化合物について粉
末法による評価を行なった結果、SHG不活性であっ
た。
However, when these compounds were evaluated by the powder method, they were SHG-inactive.

【0029】[0029]

【発明の効果】本発明に係る、2,5−ジメトキシ−
(β−シアノ)(β′−2−チエニル)スチレンからな
る有機非線形光学材料は、融点が88℃と高く熱的に安
定である。さらに、吸収端が短波長側にあり高いSHG
活性を示すことから、非線形光学素子として広範な分野
で用いることができる。
According to the present invention, 2,5-dimethoxy-
The organic nonlinear optical material composed of (β-cyano) (β′-2-thienyl) styrene has a high melting point of 88 ° C. and is thermally stable. Furthermore, the absorption edge is on the short wavelength side and the SHG is high.
Since it shows activity, it can be used in a wide range of fields as a nonlinear optical element.

【0030】また、このような光非線形性、透光性、位
相整合条件の温度許容性に優れた有機材料を用いること
により、高価な無機非線形光学材料に代えて、これと同
等の特性を持つ有機非線形光学材料を低価格で提供でき
る。
Further, by using an organic material excellent in such optical nonlinearity, translucency, and temperature tolerance of the phase matching condition, it is possible to replace the expensive inorganic nonlinear optical material with an equivalent characteristic. An organic nonlinear optical material can be provided at a low price.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】2,5−ジメトキシ−(β−シアノ)(β′−
2−チエニル)スチレンの1,4−ジオキサン中におけ
る、波長と吸光度の関係を示したものである。
FIG. 1. 2,5-Dimethoxy- (β-cyano) (β′-
It shows the relationship between wavelength and absorbance in 1,4-dioxane of (2-thienyl) styrene.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 2,5位にメトキシ基、及びβ位にシア
ノ基及びチエニル基を導入したスチレン誘導体からなる
ことを特徴とする有機非線形光学材料。
1. An organic nonlinear optical material comprising a styrene derivative having a methoxy group at the 2,5-position and a cyano group and a thienyl group at the β-position.
【請求項2】 2,5位にメトキシ基、及びβ位にシア
ノ基及びチエニル基を導入したスチレン誘導体からなる
ことを特徴とする第2次高調波発生用材料。
2. A material for second harmonic generation comprising a styrene derivative having a methoxy group at the 2,5-position and a cyano group and a thienyl group at the β-position.
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